tu dien tro xuyen ham 4265

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜ

ỌC TỰ NHIÊN

CHUYÊN NGHÀNH: QUANG HỌC


Đề tài tiểu luận:

Từ điện trở xuyên hầm
Tunnelling magnetoresistance
(TMR)

GVHD: TS.Đinh Sơn Thạch
HV: Lê Phúc Quý


Tunnelling magnetoresistance
MỤC LỤC
Trang

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƢƠNG I.

3

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ.

1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ ...................................................

4

1.2. Lịch sử của từ học .....................................................................................

4

1.3. Nguồn gốc của từ tính ...............................................................................

4

1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ. . ............................................................

4

1.5. Phân loại các vật liệu từ. .........................................................................

5

1.5.1. Chất nghịch từ. .................................................................................

5

1.5.2. Chất thuận từ. .................................................................................

6

1.5.3. Chất sắt từ . ....................................................................................

6

1.5.4. Chất phản sắt từ ................................................................................

6

1.5.5. Chất feri từ ........................................................................................

7

1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu........................................................

7

1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms) ..................................................................

7

1.6.2. Sự dị hƣớng từ ...............................................................................

7

1.6.3. Các đômen từ ..................................................................................

8

1.7. Hiện tƣợng từ trễ ..............................................................................

9

1.8. Các thông số từ ..................................................................................

10

1.9. Các vật liệu từ khác ...............................................................................

10

1.9.1. Vật liệu từ giảo. ...............................................................................

10

1.9.2. Từ trở. .............................................................................................

11

CHƢƠNG II.

TỪ ĐIỆN TRỞ XUYÊN HẦM (TMR)

2.1. Lịch sử phát triển. ....................................................................................

12

2.2. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm ..............................................................

12

2.3. Cơ chế của các hiệu ứng TMR .................................................................

13

HV: Lê Phúc Quý

Page 1


Tunnelling magnetoresistance
2.4. Độ dẫn điện của một số tiếp xúc. ...........................................................

14

2.4.1. Tiếp xúc giữa hai điện cực kim loại kim loại thƣờng. ................

14

2.4.2. Hiệu ứng tiếp xúc giữa các điện có từ tính. ..................................

14

2.5. Hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm phụ thuộc spin. ..................................

15

2.6. Mô hình điênh tử trong hiệu ứng xuyên hầm ........................................

18

2.7 Tiêm spin ...................................................................................................

19

2.8. Các yếu tố ảnh hƣờng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm. ................

19

2.8.1. Ảnh hƣởng của lớp tiếp xúc xuyên hầm .......................................

19

2.8.2. Sự phụ thuộc nhiệt độ của hiệu ứng TMR....................................

22

2.8.3. Sự phụ thuộc hiệu điện thế của hiệu ứng TMR ...........................

23

2.84. Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ ...............................

24

2.8.5. Tiếp xúc xuyên hầm kép. ..............................................................

24

CHƢƠNG 3:

Ứng Dụng

3.1. Bộ nhớ MRAM (Magnetic Random Access Memory) ..............................

26

3.1.1. Kiến trúc của MRAM ..................................................................

26

3.1.2. Cách thức hoạt động của MRAM ....................................................

27

3.2. Transitor sử dụng tiếp xúc spin xuyên hầm. ..........................................

28

3.3. Đầu đọc từ ổ DHH ....................................................................................

30

3.4. Cảm biến chất lƣợng cao ..........................................................................

31

Tài liệu tham khảo

HV: Lê Phúc Quý

Page 2

Tunnelling magnetoresistance

Mở đầu
Ngày nay, sự phát triển vượt trội của khoa học công nghệ đã đưa con người vào
trong một thế giới hiên đại. Đóng góp vào sự phát triển làm thay đổi diện mạo của thế
giới thì người ta phải kể đến vật liệu từ. Có thể dễ dàng nhận thấy các linh kiện từ tính
được sử dụng trong các thiết bị, dụng cụ quanh ta như: máy ghi âm, tivi, tủ lạnh, quạt
máy, mô tô – xe máy, các bộ phận nhớ trong máy tính điện tử, điện thoại, đồ chơi trẻ
em…Vật liệu từ cũng không thể thiếu được trong các ngành công nghiệp điện (tạo điện
năng, chuyển tải điện, điều khiển tự động,…), công nghiệp thông tin liên lạc, công nghiệp
chế tạo ôtô, tầu thủy,…
Và ở trong bài tiểu luận nhỏ này, tôi muốn đề cập một hiệu ứng của vật liệu từ,
hiệu ứng này đã góp phần đưa công nghệ linh kiện của con người lên một tầm cao mới,
đó là hiệu ứng “từ điện trở xuyên hầm” (Tunnelling magnetoresistance). Hiệu ứng từ điện
trở xuyên hầm được Julliere phát hiện và công bố năm 1975.
Nếu trước đây, spin của electron không đuợc giới vật lý lưu ý trong các nghiên
cứu về hiện tượng chuyển tải dòng điện, thì sau khi phát hiện ra “Từ điện trở xuyên
hầm”, vai trò của điện tử spin càng được củng cố hơn nữa , sự quan tâm tới spin đã mở ra
một phạm trù mới cho vật lý hiện đại, cũng là một nhánh mới cho ngành vi điện tử, đấy là
„„Điện tử spin‟‟ (spintronic).
Hiệu ứng „„Từ trở xuyên hầm‟‟ từ khi mới được khám phá đã hứa hẹn một tiềm
năng lớn, nhất là những ứng dụng cho ngành vi điện tử. Và sau đó hiệu ứng này đã thành
công trong ứng dụng chế tạo ra bộ nhớ điện tử mới là MRAM (Magnetic Random Access
Memory). Bộ nhớ MRAM có ưu điểm tiêu thụ ít điện hơn, có khả năng lưu trữ thông tin
như một ổ đĩa cứng, thậm chí có thể lưu trữ thông tin ngay cả khi dòng điện đã bị ngắt, có
tốc độ đọc và ghi nhanh hơn nhiều và không hề bị suy giảm theo thời gian. Ngoài ra còn
nhiều ứng dụng khác đáng quan tâm, được trình bày trong phần ứng dụng của tiểu luận
này.

HV: Lê Phúc Quý

Page 3


Tunnelling magnetoresistance
Chƣơng I. TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU TỪ.
1.1. Những khái niệm cơ bản về vật liệu từ
Từ học là một trong những môn khoa học lâu đời nhất trong vật lý. Các nghiên
cứu ứng dụng các hiện tượng từ và lý giải các hiện tượng từ bắt đầu ở Châu Âu từ thế kỷ
17, mà mở đầu là công trình của William Gilbert và sau đó là các nghiên cứu của
Michael Faraday, Ampere, Oersted, Lorentz, Maxwell... mở đầu cho việc đem các ứng
dụng từ học vào cuộc sống.
Từ tính là một thuộc tính của vật liệu. Tất cả các vật liệu, ở mọi trạng thái, dù ít
hay nhiều đều biểu hiện tính chất từ. Việc nghiên cứu tính chất từ của vật liệu giúp chúng
ta khám phá thêm những bí ẩn của thiên nhiên, nắm vững kiến thức khoa học kỹ thuật
để ứng dụng chúng ngày càng có hiệu quả hơn, phục vụ lợi ích con người, đặc biệt là
trong lĩnh vực từ học. Cho đến ngày nay, từ học vẫn là một chủ đề lớn của vật lý học với
nhiều hiện tượng lý thú và nhiều khả năng ứng dụng trong khoa học, công nghệ, y - sinh
học, cũng như trong cuộc sống.
1.2. Lịch sử của từ học
1600. Dr, William Gilbert - những thí nghiệm
đầu tiên về từ học:” De Magnete”.
1819. Oerstead - sự gắn liền giữa từ học và điện học.
1825. Sturgeon đã phát minh ra nam châm điện.
1880. Warburg đã vẽ ra chu trình trễ đầu tiên của sắt.
1895. Định luật Curie đã được đề xuất
1905. Langevin lần đầu tiên đã giải thích tính chất
của nghịch từ và thuận từ.
1906. Weiss đã đưa ra lý thuyết sắt từ.
Những năm 1920. Vật lý của từ học đã được phát Hình 1.1. Hình đường sức của

trỉển với các lý thuyết liên quan đến spin electron và
lưỡng cực từ.
tương tác trao đổi; những sự bắt đầu của cơ học
lượng tử.
1.3. Nguồn gốc của từ tính.
Hầu hết mọi người đều biết vật liệu từ là gì, nhưng rất ít người biết một nam châm
họat động như thế nào? Trường được tạo ra bởi nam châm được liên hệ với sự chuyển
động và các tương tác của các electron, các hạt tích điện âm, chuyển động theo quỹ đạo
hạt nhân của mỗi nguyên tử. Electron dang quay tròn tạo ra một mômen từ quỹ đaợ của
riêng nó , được đo bằng magneton Bohr ( B), và cũng có một mômen từ spin tương ứng
với nó do electron tự quay , giống như trái đất quay trên trục của bản thân nó.( được

HV: Lê Phúc Quý

Page 4


Tunnelling magnetoresistance
minh họa trên hình 2). Trong hầu hết các vật liệu đều có mômen từ tổng cộng, nhờ các
electron tạo thành nhóm từng cặp, gây ra mômen từ bị trượt tiêu bởi lân cận của nó.
Trong các vật liệu từ nào đó, các mômen từ với một tỷ lệ lớn của các electron đã được
sắp xếp, khi tạo ra một từ trường đồng nhất. Trường được tạo ra trong vật liệu ( hoặc
bằng một nam chân điện) có một hướng chảy và nam châm bất kỳ nào đều thể hiện một
lực để cố gắng sắp xếp nó theo từ trường ngoài, giống như cái kim la bàn.

Hình 1.2. Quỹ đạo của một electron đang quay xung quanh hạt nhân của nguyên tử.
1.4. Các đại lƣợng đặc trƣng của từ.
- Độ từ hóa (M) của vật liệu: Mômen từ trên một đơn vị thể tích của vật liệu.
- Độ từ hóa riêng ( ): Mômen từ trên một đơn vị khốI lượng.
- Cảm ứng từ (B) của vật liệu: Từ thông tổng cộng của từ trường đi qua một đơn vị tiết

diện cắt ngang của vật liệu.
B = 0 (H+M)
B=H+4 M
- 0 là độ từ thẩm của chân không ( 4 x 10 -7 Hm-1), là tỷ số của B/H được đo trong
chân không .
M
- Độ cảm từ của vật liệu:
H

- Độ từ thẩm:

B
H

- Độ phân cực từ: J =

0M

1.5. Phân loại các vật liệu từ.
1.5.1. Chất nghịch từ.
Trong một vật liệu nghịch từ , các nguyên tử
không có mômen từ riêng khi không có từ trường
ngoài đặt vào. Dưới ảnh hưởng của một từ trường
ngoài (H) các electron đang quay sẽ tiến động và
chuyển động này , là một loại dòng điện, tạo ra một
HV: Lê Phúc Quý

Hình 1.3. Đường cong từ hóa
của chất nghich từ.
Page 5

Tunnelling magnetoresistance
độ từ hóa (M) trong hướng đối diện với phương của từ trường ngoài. Tất cả vật liệu đều
có hiệu ứng nghịch từ, song thường trong trường hợp mà hiệu ứng nghịch từ bị bao phủ
bởi hiệu ứng thuận từ hay sắt từ lớn hơn. Giá trị của độ cảm từ là độc lập với nhiệt độ.
Chất nghịch từ có độ cảm từ
1.5.2. Chất thuận từ.

có giá trị âm và rất nhỏ hơn 1, chỉ vào khoảng 10-5

Chất nghịch từ có độ từ hóa > 0 nhưng
cũng rất nhỏ, cỡ 10 - 4 và tỷ lệ với 1/T. Có vài lý
thuyết về chất thuận từ , phù hợp cho các loại riêng
của vật liệu. Mô hình Langevin đúng cho các vật liệu
với các electron định xứ không tương tác với nhau ,
ở các trạng thái mà mỗi nguyên tử có một mômen từ
định hướng hỗn loạn do sự chuyển động nhiệt. Việc Hình 1.4. Đường cong từ hóa của
chất thuận từ.
áp đặt một từ trường ngoài đã tạo ra một sự sắp xếp
một ít các mômen này và vì vậy mà một độ từ hóa thấp theo cùng phương như từ trường
ngoài. Khi tăng nhiệt độ, do sự chuyển động nhiệt sẽ tăng lên, nó sẽ trở nên khó hơn để
sắp xếp các mômen từ nguyên tử và vì vậy, độ cảm từ sẽ giảm xuống. Bản chất này được
biết như định luật Curie và được cho trong phương trình 7, ở đó C là một hằng số vật liệu
C
được gọi là hằng số Curie.
T

Trong phương trình này, có thể dương, âm hoặc bằng không. Rõ ràng là khi =
0, thì định luật Curie-Weiss bằng định luật Curie. Khi khác không thì có một tương tác

giữa các mômen từ lân cận và các vật liệu chỉ là thuận từ ở trên một nhiệt độ chuyển tiếp
nào đó. Nếu dương thì vật liệu là sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp và giá trị tương
ứng với nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Curie, TC). Nếu là âm, thì khi đó vật liệu là
phản sắt từ ở dưới nhiệt độ chuyển tiếp ( nhiệt độ Néel, TN), song giá trị của không liên
quan tới TN.
1.5.3. Chất sắt từ: độ cảm từ c có giá trị rất
lớn, cỡ 106. Ở T < TC (nhiệt độ Curie)
từ độ J giảm dần, không tuyến tính khi nhiệt độ
tăng lên. Tại T = TC từ độ biến
mất. Ở vùng nhiệt độ T > TC giá trị 1/c phụ thuộc Hình 1.5. a/ Sự xếp các momen của sắt
từ khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ
tuyến tính vào nhiệt độ. Sắt từ là vật liệu từ
thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ
mạnh, trong chúng luôn tồn tại các mômen từ tự
phát, sắp xếp một cách có trật tự ngay cả khi không có từ trường ngoài. Sắt từ còn
có nhiều tính chất độc đáo và những ứng dụng quan
1.5.4. Chất phản sắt từ: là chất từ yếu, χ~ 104, nhưng sự phụ thuộc của 1/ χ vào
HV: Lê Phúc Quý

Page 6


Tunnelling magnetoresistance
nhiệt độ không hoàn toàn tuyến tính như chất
thuận từ và có một hõm tại nhiệt độ TN (gọi là
nhiệt độ Nell). Khi T < T N trong phản sắt từ
cũng tồn tại các momen từ tự phát như sắt từ
nhưng chúng sắp xếp đối song song từng dôi một.
Khi T > TN sự sắp xếp của các mômen từ spin
trở nên hỗn loạn và χ lại tăng tuyến tính theo t

như chất thuận từ
1.5.5. Chất feri từ: độ cảm từ có giá trị khá
lớn, gần bằng cửa sắt từ χ ~104 và cũng tồn tại
các mô men từ tự phát. Tuy nhiên cấu trúc tinh
thể của chúng gồn hai phần mạng mag ở đó các
momen từ spin có giá trị khác nhau và xắp xếp

Hình 1.6. a/ Sự xếp các momen sắt từ
khi nhiệt độ T < TC; b/sự phụ
thuộc nhiệt độ bão hòa và 1/χ

phản song song với nhau, do đó từ độ tổng cộng
khác không ngay cả khi không có từ trường Hình 1.7. a/ Sự xếp các momen feri từ khi
nhiệt độ T < TC; b/sự phụ thuộc
ngoài tác dụng, trong vùng nhiệt độ T < TC .Vì
nhiệt độ bão hòa JS và 1/χ ở feri từ.
vậy feri từ còn được gọi là phản sắt từ không bù
trừ.
1.6. Các tính chất nội tại của các vật liệu
1.6.1. Độ từ hóa bão hòa (Ms)
Độ từ hóa bão hòa (Ms) là một phép đo số lượng cực đại của trường có thể được
sinh ra bởi một vật liệu. Nó sẽ phụ thuộc vào cường độ của các mômen dipol trên các
nguyên tử cấu tạo vật liệu và chúng xếp chặt như thế nào đó với nhau. Mômen dipol
nguyên tử sẽ bị ảnh hưởng bởi bản chất của nguyên tử và toàn bộ cấu trúc electron bên
trong hợp chất. Mật độ xếp của các mômen nguyên tử sẽ được xác định bởi cấu trúc tinh
thể ( tức là không gian của các mômen ) và sự có mặt của các nguyên tố không có từ tính
bên trong cấu trúc.
Đối với các vật liệu sắt từ, tại các nhiệt độ nhất định, Ms cũng sẽ phụ thuộc vào
việc các mômen từ này sắp xép tốt như thế nào, vì dao động nhiệt của các nguyên tử gây
ra sự sai hỏng sắp xếp của các mômen và làm giảm Ms. Độ từ hóa bão hòa cũng được

xem như độ từ hóa tự phát, tuy nhiên số hạng này thường được sử dụng để mô tả độ từ
hóa bên trong một đơn đômen từ.
1.6.2. Sự dị hƣớng từ

HV: Lê Phúc Quý

Page 7


Tunnelling magnetoresistance

Hình 1.8. Sự dị hướng từ của tinh thể cobalt

Trong một vật liệu từ kết tinh,các tính chất từ sẽ rất phụ thuộc vào các phương tinh
thể hóa, mà các dipol từ sẽ sắp xếp. Hình 4 biểu diễn hiệu ứng này đối với một đơn tinh
thể cobalt. Cấu trúc tinh thể hexagonal của cobalt có thể được từ hóa dễ dàng theo
phương [0001] ( tức là dọc theo trục c), nhưng có trục khó của độ từ hóa theo phương
loại [1010], nằm trong mặt phẳng cơ sở ( 90o so với trục dễ).
Một phép đo dị hướng từ tinh thể theo phương dễ từ hóa là trường dị hướng,
(minh họa trên hình 9 ), là trường đòi hỏi để quay tất cả các mômen đi 90o, là một đơn vị
trong một đơn tinh thể bão hòa. Sự dị hướng được gây ra bởi một liên kết của các quỹ
đạo electron đối với mạng và theo phương dễ từ hóa thì liên kết này là làm cho các quỹ
đạo này ở trạng thái năng lượng thấp nhất.
1.6.3. Các đômen từ
Để giải thích được sự thật là các vật liệu sắt từ với độ từ hóa tự phát có thể tồn tại
ở trạng thái khử từ, Weiss đã đưa ra khái niệm các đômen từ. Weiss đã xây dựng trên cơ
sở của công trình trước đó của Ampère, Weber và Ewing khi đưa ra sự tồn tại của chúng.
Các kết quả tìm thấy của công trình này liên quan đến điều là bên trong một đômen một
số lớn các mômen nguyên tử đã được định hướng là 10 12 – 10 18, vượt quá một khối
lượng lớn hơn nhiều so với những dự đoán trước đó. Độ từ hóa bên trong đômen đã được

bão hòa và sẽ luôn nằm theo phương từ hóa dễ khi ở đó không có từ trường ngoài đặt
vào. Phương của sự định hướng đômen ngang qua một khối lượng lớn vật liệu là ngẫu
nhiên nhiều hay ít và vì vậy độ từ hóa của một mẫu là có thể bằng không.

Hình 1.9. Minh họa sự chia vật liệu thành (a) đơn đômen, (b) ba
đômen, (c) Các đômen khép kín.

HV: Lê Phúc Quý

Page 8


Tunnelling magnetoresistance
Việc đưa vào một đômen đã làm tăng năng lượng tổng
cộng của hệ, vì vậy việc chia thành các đômen chỉ tiếp
tục khi việc giảm năng lượng tĩnh từ lớn hơn so với năng
lượng đòi hỏi để tạo ra vách đômen. Năng lượng liên
quan đến một vách đômen tỷ lệ với diện tích của nó. Việc
biểu diễn sơ đồ của vách đômen được chỉ ra trên hình
1.10, chỉ ra rằng các mômen dipol của các nguyên tử bên
trong vách không nằm 180o đối với nhau và năng lương
trao đổi cũng tăng lên bên trong vách. Vì vậy, năng lượng
vách đômen là một tính chất nội tại của một vật liệu phụ
thuộc vào mức độ dị hướng từ tinh thể và cường độ của Hình 1.10. đômen sắt từ
tương tác trao đổi giữa các nguyên tử lân cận. Độ dày của vách sẽ thay đổi tương quan
đến các thông số này, vì một dị hướng từ tinh thể mạnh sẽ phù hợp một vách hẹp, trong
khi mà một tương tác trao đổi mạnh sẽ thích hợp với một vách rộng.
1.7. Hiện tƣợng từ trễ
Các vật liệu sắt từ và ferit từ có
các đường cong từ hóa ban đầu không

tuyến tính ( tức là các đường chấm trên
hình 1.11), bởi vì độ từ hóa thay đổi với
từ trường ngoài là do một sự thay đổi
trong cấu trúc đômen từ. Các vật liệu này
cũng chỉ ra tính trễ và độ từ hóa không
quay về giá trị không sau khi cắt từ
trường ngoài.
Trên một phần tư thứ nhất của chu
Hình 1.11. Một chu trình trễ điển hình
trình được minh họa là đường cong từ hóa
của vật liệu sắt từ hay ferít.
ban đầu ( đường chấm chấm), chỉ ra sự tăng của độ phân cực và (độ cảm ứng ) lên sự áp
đặt của một trường đến mẫu chưa bị từ hóa. Trong một phần tư thứ nhất, độ phân cực và
trường ngoài , cả hai đều dương, tứ là chúng trong cùng hướng. Khi độ phân cực có thể
tăng lên không thể hơn nửa bởi sự lớn lên của các đômen, thì phương của độ từ hóa của
các đômen khi đó sẽ quay từ trục dễ sang định hướng với trường. Khi tất cả các đômen
được định hướng hoàn toàn với trường ngoài thì sự bão hòa sẽ đạt được và độ phân cực
không thể tăng hơn nữa. Trên hinh 1.12, đường xuất phá từ điểm bão hòa đến trục y là
nằm ngang, biểu diễn một vật liệu định hướng tốt, ở đó các đômen được từ hóa theo
hướng dễ của tinh thể tại điểm bão hòa.
Nếu hướng của trường ngoài là ngược lại ( tức là theo hướng âm ) thì khi đó sự phân cực
sẽ đi theo đường đỏ vào trong một phần tư thứ hai. Hiện tượng trễ nghĩa là sự phân cực
HV: Lê Phúc Quý

Page 9